钢铁结晶过程及其平衡组织

钢铁合金平衡组织的观察与分析实验目的实验说明实验内容实验方法指导实验报告要求思考题一：实验目的(1)观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

(2)了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。

(3)进一步熟悉金相显微镜的使用。

二：实验说明碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。

因此，熟悉并掌握它们的组织是对钢铁材料使用者最基本的要求。

1．碳钢和白口铸铁的平衡组织平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。

铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe—Fe3C相图来分析。

从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(C)组成。

但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1。

表1各种铁碳合金在室温下的显微组织2．各种相组分或组织组分的特征碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形状和性能如下：铁素体：铁素体经w(HNO3)=3％~5％酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，如图1所示。

随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布(图2)，碳质量分数接近共析成分时往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。

铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80~120 HBS，强度也较低。

图1 工业纯铁的显微组织图2 w(C)=0.45%碳钢的显微组织渗碳体：渗碳体经w(HNO3)=3~5%酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。

一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间，如图3所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图4所示；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状，如图5、图6所示。

图3 过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体图4 过共析钢(w(C)=1.2%)组织中的二次渗碳体图5 中倍下的珠光体图6 高倍下的珠光体铁素体和渗碳体经w(HN03)=3％~5％酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。

第六章铁碳合金状态相图分析及组织观察一、概述铁碳合金状态图是研究铁碳合金的组织与性能关系的重要工具。

了解和掌握铁碳合金状态图对于制定钢铁材料的各种工艺有很重要的指导意义。

下面分别讨论纯Fe；共析钢；亚共析钢；过共析钢；共晶白口铁；亚共晶白口铁；过共晶白口铁等几个典型合金的结晶过程，以深入了解铁碳合金相合肥组织的形成规律及其组织特征。

1、含0.01％C合金的结晶过程及组织特征含碳0.01％的合金为工业纯铁，其结晶过程如下（参照图1中的合金①）。

液态金属在1～2点温度区间按匀晶转变结晶出单相δ固溶体。

δ固溶体冷却导3点时，开始发生固溶体的同素异构转变Aδ→。

由于δ相晶界上的能量转高，因此，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形成，然后长大。

这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体。

奥氏体冷却到5～6之间又发生同素异构转变γα→，转变为铁素体。

铁素体也同样是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。

铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和。

冷到7点以下，将从铁素体中析出过剩的渗碳体。

这种渗碳体一般沿铁素体晶界析出，称为三次渗碳体。

因此，工业纯铁室温下的组织为铁素体和三次渗碳体所组成。

铁碳平衡状态图2、共析合金的结晶过程及组织特征当温度在1点以上时，合金全部为液态。

当合金降温至1点，并稍微过冷，开始从液体中析出奥氏体。

继续降温从液体汇总析出奥氏体，液相的浓度沿BC 线变化，奥氏体的浓度沿JE 线变化。

两相相对重量的比值可由杠杆定律求出： QLaOQA Ob ＝奥氏体初次晶在液态金属中自由长大，一般呈树枝状。

降温至2点结晶终了，变成了单相的奥氏体组织。

在2－3点温度区间，为单相奥氏体，相的浓度等于合金的成分，没有成分和组织的变化。

在3点共析成分的奥氏体发生共析转变，形成的转变产物为珠光体。

平衡条件下所得的珠光体组织是一层铁素体和一层渗碳体交替排列的机械混合物。

用3％硝酸酒精溶液浸蚀后，窄的条纹为渗碳体，宽的白色条纹危房铁素体，这是因为浸蚀时，铁素体被均匀浸蚀，而渗碳体叫铁素体硬，不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外。

共析钢的结晶过程和组织转变共析钢是指含有两种以上的元素，当经过相变时，会形成两个以上的固相同时的钢铁材料。

共析钢的结晶过程及组织转变，是一个极其复杂的过程，其主要与原料中的元素成分、热力学条件、以及冷却速度等因素有关。

共析钢的结晶过程是从液相到固相的转化过程，根据不同的组成和特性，其结晶方式也有所不同。

一般而言，共析钢的结晶过程可以分为五个阶段：初固、完全共晶、去定共晶、残余共晶和针状铁素体。

其中，完全共晶是指共晶固相钢中原油的量达到最大，其组织是由等量的铁素体和伴生的共晶相组成。

在组织转变方面，共析钢是一种具有明显点状铁素体和针状铁素体相混合的组织。

针状铁素体是共析钢中一种具有明显的变质损伤的相。

在共晶SAE783材料中，在800℃煮制2小时的条件下，针状铁素体会向共晶中Diffuse，从而增加了热稳定性。

同时，沿着黄花岗岩升华道在不同转变过程中会形成许多的针状铁素体。

因此，在共析钢中，针状铁素体不仅有重要的力学性能，同时它也能够对材料的耐热性起到明显的提高作用。

为了得到理想的共析钢组织，需要通过合理的热处理工艺来实现。

其中，共析钢热处理的方案必须考虑材料的化学成分、钳口工艺特征、以及预期的物理-机械性能等多个因素。

通过控制热处理温度和时长来实现材料的细化处理和组织转变。

而且，在热处理过程中，还需要处理好材料的冷却过程，以确保产生理想的共析钢组织。

总之，共析钢结晶过程及组织转变是一个非常复杂而且重要的热处理工艺。

在进行共析钢的制备和应用过程中，需要充分了解其特性及工艺要求，并遵循工艺步骤进行操作，以确保生产出高质量、稳定性好的共析钢材料。

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（〈0.0218％ C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵ 碳钢(0.0218%~2。

11％C ），其特点是高温组织为单相A,易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0。

77%C)、共析钢（0.77％C ）和过共析钢(0。

77%～2.11％C ）。

⑶ 白口铸铁（2。

11％～6。

69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2。

11％~4。

3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁(4.3-6.69%C)下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化.图3—26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁(图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体.继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。

温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3～4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。

在4~5点之间,不发生组织转变。

冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。

在6-7点之间冷却，不发生组织转变.温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。

7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q .图3—27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。

工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。

分析45钢结晶过程及其组织转变一、学习目标知识目标：·了解铁碳合金相图的含义·分清钢与铁的区别；·熟悉铁碳合金基本相组织；·明确铁碳合金相图的点、线、区域的含义；·掌握典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；能力目标：·能分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；·能确定铁碳合金相图在零件选材、毛坯加工、热处理等方面的应用。

二、任务引入铁碳合金在结晶时由于铁和碳的含量不同会结晶出不同的晶体，又由于铁有同素异晶转变，所以45钢结晶后在冷却过程中随温度变化晶体结构会发生变化。

三、相关知识钢和铸铁是机械制造中应用最多的金属材料。

钢铁的品种繁多，成分各不相同，但都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。

含碳量w c ≤2.11％的铁碳合金叫钢，含碳量w c ≥2.11％的铁碳合金叫铸铁。

在铁碳合金中铁和碳可以生成一系列的化合物，如Fe 3C 、Fe 2C 、FeC 等。

由于含碳量高的Fe 2C 、FeC 脆性大，无实用价值，因此一般只研究碳含量w c ＜6.69%的铁碳合金，故铁碳合金相图也可以认为是3Fe Fe C 相图。

（一）铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁组成化合物，而化合物与固溶体还可结合成多相复合组织，因此铁碳合金中出现以下几种基本组织。

1.铁素体碳溶于Fe α-晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F 表示。

Fe α-是体心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较小，所以碳在Fe α-中的溶解度也较小，在室温时接近于零，在727℃溶解度最大为w c =0.0218%。

由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。

2.奥氏体碳溶于Fe γ-晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A 表示，如图1-17所示。

Fe γ-是面心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在l148℃时，溶碳量可达2.11％。

亚共析钢的结晶过程引言亚共析钢是一种重要的钢铁材料，在工业领域有广泛应用。

其结晶过程决定了最终产品的性能和质量。

本文将深入探讨亚共析钢的结晶过程，从原理、工艺以及影响因素等多个角度进行分析和讨论。

亚共析钢的定义亚共析钢是指在钢中同时存在稳定的体心立方结构（α相）和面心立方结构（γ相）的钢。

这种组织形式使得亚共析钢具备了优越的力学性能和耐久性能，被广泛用于航空航天、汽车制造等领域。

亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程可以分为凝固和固态相变两个阶段。

1. 凝固阶段亚共析钢的凝固过程是指液相逐渐凝固成为固相的过程。

凝固过程受到多个因素的影响，包括温度、成分和形核等。

1.1 温度对凝固的影响温度是影响凝固过程的重要因素。

对于亚共析钢来说，凝固温度的选择直接决定了α相和γ相的比例。

较低的凝固温度可以增加固相的含量，而较高的凝固温度可以增加液相的含量。

1.2 成分对凝固的影响成分是另一个影响凝固过程的重要因素。

亚共析钢中的合金元素会改变凝固温度和固相组织形态。

不同的合金元素在凝固过程中的分配方式也会影响最终的结晶组织。

1.3 形核对凝固的影响形核是亚共析钢中固相开始形成的起始点。

形核的方式分为自由形核和异质形核两种情况。

自由形核是指在纯净的亚共析合金中，固相的形成是由自身的过饱和度引起的。

异质形核是指在合金液中存在的非金属夹杂物或缺陷等起到形核的作用。

2. 固态相变阶段固态相变是指在亚共析钢中，由于温度的升高或降低，固相发生相变的过程。

这个过程会进一步影响亚共析钢的组织和性能。

2.1 固溶体的形成在固态相变过程中，原子会重新排列，形成具有不同结构的固溶体。

固溶体的形成与温度的变化和合金元素的相互作用密切相关。

2.2 相分解相分解是指固溶体分解成两个或多个不同的相的过程。

在亚共析钢中，相分解会引起α相和γ相的比例发生变化，进而影响材料的硬度、韧性等力学性能。

2.3 时效硬化时效硬化是指在固相变过程中，通过适当的时效处理，使材料的性能得到改善。